長期演進(jìn)技術(shù)在城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

熊棟宇(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院,610031,成都//工程師)

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長期演進(jìn)技術(shù)在城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

熊棟宇
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院,610031,成都//工程師)

摘 要基于LTE(長期演進(jìn))技術(shù)車地?zé)o線通信,就乘客信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù),深入討論了系統(tǒng)覆蓋、時(shí)鐘同步、區(qū)間隧道切換、天線模式等方案。并在此基礎(chǔ)上,建立了系統(tǒng)測試環(huán)境。測試結(jié)果表明:LTE無線傳輸可很好地承載乘客信息系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù),具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞城市軌道交通;時(shí)分長期演進(jìn)技術(shù);乘客信息系統(tǒng)

Author′s address China Ralway Eyuan Engineering Group Co.,Ltd.,610031,Chengdu,China

分時(shí)長期演進(jìn)(Time Division Long Term Evolution簡為,TD-LTE)技術(shù)是3 G(第三代移動(dòng)通信技術(shù))的演進(jìn)[1],作為3 G與4 G(第四代移動(dòng)通信技術(shù))技術(shù)之間的一個(gè)過渡(又稱為3.9 G標(biāo)準(zhǔn)),采用OFDM(正交頻分復(fù)用)和OFDMA(正交頻分多址)技術(shù)改進(jìn)并增強(qiáng)了3 G的空中接口,使移動(dòng)用戶設(shè)備可以更高的傳輸速率、更低的傳輸延時(shí)接入到核心網(wǎng),并支持廣域覆蓋、高速切換、端到端的QoS(服務(wù)質(zhì)量)以及多媒體廣播多播業(yè)務(wù)等。2015年2月,TD-LTE車地?zé)o線通信在杭州地鐵4號(hào)線乘客信息系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)城市軌道交通的商用運(yùn)營,在此分享一下系統(tǒng)應(yīng)用方案。

1　乘客信息系統(tǒng)的需求及業(yè)務(wù)

1.1需求分析

乘客信息系統(tǒng)(PIS)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過布設(shè)在控制中心與各車站的有線網(wǎng)絡(luò)、列車與軌旁的無線網(wǎng)絡(luò)以及車輛上的有線網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)線路控制中心、車站、車輛之間的音視頻、圖像以及文字等信息雙向傳輸?shù)南到y(tǒng)。通過設(shè)置在站廳、站臺(tái)、列車客室的LCD(液晶顯示屏)顯示終端以及出入口的LED(發(fā)光二極管)顯示終端,乘客可及時(shí)準(zhǔn)確地了解列車運(yùn)營信息和公共媒體信息。同時(shí)在車輛內(nèi)、外設(shè)置監(jiān)控?cái)z像機(jī),并通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地把現(xiàn)場圖像情況上傳到調(diào)度大廳和地鐵公安分局的指揮大屏,實(shí)現(xiàn)運(yùn)營和公安人員的統(tǒng)一指揮和調(diào)度。為了給上、下車乘客提供連貫、實(shí)時(shí)和高質(zhì)量的視頻信息服務(wù),乘客信息系統(tǒng)需要提供足夠的有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)帶寬。

1.2乘客信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)

乘客信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)信息分為上傳信息和下傳信息兩個(gè)部分。上傳信息包含車輛視頻監(jiān)控圖像和車輛狀態(tài)信息,下傳信息包含直播流媒體信息和運(yùn)營文本信息。具體帶寬分析如下:

(1)在線運(yùn)營列車通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)上傳至控制中心服務(wù)器的實(shí)時(shí)視頻,按H.264編碼方式、720 P高清視頻同時(shí)傳2路考慮,每路視頻2 Mbit/s帶寬。

(2)在線運(yùn)營列車通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳向控制中心服務(wù)器的車輛狀態(tài)信息,帶寬按1路200 Kbit/s考慮。

(3)控制中心服務(wù)器通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)下載到列車的實(shí)時(shí)直播流媒體視頻按1路標(biāo)清設(shè)計(jì),帶寬按最小4 Mbit/s計(jì)算;控制中心服務(wù)器通過有線網(wǎng)絡(luò)下傳到車站的實(shí)時(shí)直播流媒體信息按1路高清設(shè)計(jì),帶寬按8 Mbit/s計(jì)算。

(4)控制中心服務(wù)器通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)下傳到列車的運(yùn)營文本信息按1 Mbit/s考慮。

綜上分析可知,每列車上傳實(shí)際信息最小帶寬約為4.2 Mbit/s,考慮2 Mbit/s的帶寬余量,則要求上行帶寬約為6.2 Mbit/s。每列車接收實(shí)際信息最小帶寬約為5 Mbit/s,考慮2 Mbit/s的帶寬余量,則要求下行帶寬約為7 Mbit/s。按34座車站,最大76列列車配置計(jì)算,乘客信息系統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)最大需要承載帶寬約為554.2 Mbit/s,可見,千兆帶寬的有線網(wǎng)完全滿足實(shí)際業(yè)務(wù)需求,瓶頸在于車地?zé)o線網(wǎng)線能否提供足夠的、穩(wěn)定的傳輸帶寬。

2　系統(tǒng)構(gòu)成及覆蓋方案

杭州地鐵4號(hào)線PIS車-地?zé)o線通信系統(tǒng)由無線核心網(wǎng)、BBU(基帶處理單元)、軌旁無線設(shè)備RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)、TAU(無線車載終端)以及漏纜等組成。根據(jù)城市軌道交通運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),無線核心網(wǎng)放置在控制中心機(jī)房內(nèi),BBU設(shè)置在車站和停車場的通信機(jī)房內(nèi),RRU布設(shè)在區(qū)間隧道或設(shè)備房墻壁上,并通過POI(多系統(tǒng)接入平臺(tái))接入?yún)^(qū)間和站臺(tái)區(qū)的漏纜,RRU與BBU之間采用光纖直連方式(見圖1)。PIS車-地?zé)o線系統(tǒng)的無線場強(qiáng)覆蓋范圍包括全線各車站的站臺(tái)及區(qū)間隧道,以及停車場運(yùn)用庫區(qū)域。

(1)正線軌旁主要采用RRU+漏纜進(jìn)行無線覆蓋,其中漏纜為LTE和專用無線TETRA(陸上集群無線電)系統(tǒng)合用。

(2)停車場主要采用RRU+室內(nèi)定向天線進(jìn)行無線覆蓋。

圖1　LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)構(gòu)成圖

3　系統(tǒng)解決方案

3.1頻段使用方案

根據(jù)工信部無函[2003]408號(hào)文件《關(guān)于擴(kuò)展1 800 MHz無線接入系統(tǒng)使用頻段的通知》,城市軌道交通TD-LTE系統(tǒng)采用1.8 G頻段(1 785～1 805 MHz)用于“TDD(時(shí)分雙工)無線接入”(見圖2)。

目前,地下車站站臺(tái)和隧道區(qū),移動(dòng)運(yùn)營商無需覆蓋GSM 1 800信號(hào),話務(wù)量完全滿足使用要求,因此地下區(qū)間隧道TD-LTE可使用20 M全頻段;地面部分,為減小系統(tǒng)間干擾,TD-LTE采用15 MHz (1 785～1 800 MHz),其中1 800～1 805 MHz頻段作為TD-LTE與GSM 1800系統(tǒng)間的保護(hù)頻段。

圖2　無線頻段分配圖

3.2系統(tǒng)覆蓋方案和切換分析

3.2.1切換分析

切換階段包含切換遲滯區(qū)、切換測量區(qū)和切換執(zhí)行區(qū)3個(gè)階段(見圖3)。切換遲滯,即從源小區(qū)切換至目標(biāo)小區(qū)時(shí),目標(biāo)小區(qū)RSRP(參考信號(hào)接收功率)高于源小區(qū)RSRP的程度。在正線區(qū)間,切換門限一般取為2 d B。切換測量區(qū),即切換的測量上報(bào)區(qū)。切換執(zhí)行區(qū),即從物理信道重配指令下發(fā)到完成的區(qū)域。隧道內(nèi)列車最大速度取80 km/h,測量時(shí)長和切換時(shí)延一般為150 ms以內(nèi),保守起見,時(shí)延取500 ms;1-5/8"漏纜傳輸損耗取3.8 d B/100 m。根據(jù)切換帶的計(jì)算公式:切換帶距離= 2 d B/漏纜每米損耗+2(測量時(shí)長+切換時(shí)延)×車速,可知切換帶長度為75 m。

圖3　切換區(qū)示意圖

3.2.2區(qū)間RRU配置方案

鏈路預(yù)算關(guān)鍵參數(shù)取值分析如下:區(qū)間采用1 -5/8"漏纜單纜覆蓋,每個(gè)TAU配置2副天線;漏纜到TAU的最大距離按4 m考慮,根據(jù)L=20 lg (d/2)(d為終端到漏纜之間的距離)公式可知,寬度因子取6 d B;車載天線安裝在車體外部,因此阻擋損耗為0;無源設(shè)備包含電橋和POI,因此損耗取5.8 d B;根據(jù)承載業(yè)務(wù)帶寬需求,上行邊緣速率取9.128 Mbit/s,下行邊緣速率取10 Mbit/s。相比10 MHz載波帶寬,15、20 MHz載波帶寬可用的RB(資源塊)數(shù)更多,接收機(jī)需要的SINR(信噪比)相對(duì)較小,從而使RRU單邊覆蓋的距離更大。因此預(yù)算取10 MHz載波帶寬,RB使用數(shù)50個(gè)。MCS(調(diào)制與編碼策略)指數(shù):下行取18、上行取20,調(diào)制方式:RRU采用64QAM(正交振幅調(diào)制)、TAU采用16QAM,可得下行鏈路SINR門限為9.8 d B、上行鏈路SINR為13 d B,而在TAU接收機(jī)噪聲功率為-97.46、RRU接收機(jī)噪聲功率為-101.46,因此可得TAU接收靈敏度為-87.66 d Bm,RRU的接收靈敏度為-88.46 d Bm。基站采用2通道RRU,單通道輸出功率46 d Bm;TAU發(fā)射功率33 d Bm,天線增益8 d Bi。具體計(jì)算如下:

最大下行鏈路允許路損=e NB(基站)發(fā)射功率-(e UE(車載終端)接收機(jī)靈敏度(-87.66 d Bm) -e UE天線增益(8 d B)+小區(qū)內(nèi)地理因子(3 d B) +e UE饋線損耗(0.5 d B)+慢衰落方差(5 d B)+陰影衰落余量(8d B))=125.16 d B。

最大上行鏈路允許路損=e UE發(fā)射功率+ e UE天線增益-e UE饋線損耗-(e NB接收機(jī)靈敏度(-88.46 d Bm)- eNB天線增益+上行干擾裕量(3 d B)+慢衰落方差(5 d B)+陰影衰落余量(8 d B))=112.96 d B。

路徑損耗=射纜損耗(2.8 d B)+無源設(shè)備及跳線損耗(5.8 d B)+95%漏纜耦合損耗(67 d B)+寬度因子(6 d B)+工程余量(5 d B)+漏纜傳輸損耗(0.038 d B/m)漏纜長度。

綜合可知,上行鏈路受限,因此RRU單邊覆蓋距離693 m,從而RRU設(shè)備的最大間距為693 m× 2-75 m=1 313 m。考慮到最小行車間隔90 s,平均列車速度50 km/h,則最小行車間隔為1 250 m。因此實(shí)際工程應(yīng)用中,RRU區(qū)間間距配置不超過1 200 m,使每個(gè)RRU小區(qū)內(nèi)只存在1列車,從而減小了小區(qū)邊緣時(shí)傳輸帶寬的惡化。

3.3時(shí)間同步解決方案

TD-LTE采用同頻組網(wǎng)[1],如果小區(qū)間未保持同步,將會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的收發(fā)相互干擾,因此TDD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要小區(qū)間保持子幀邊界的精確時(shí)鐘同步(μs級(jí))。目前有兩種精確時(shí)鐘同步方案:

(1)每個(gè)BBU都引入GPS(全球定位系統(tǒng))時(shí)鐘同步信號(hào),其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高,但需要在地鐵出入口外側(cè)設(shè)置GPS接收天線,如此GPS天線受到惡意或無意的破壞,導(dǎo)致接收信號(hào)的衰減,使后期維護(hù)工作較大。

(2)主從時(shí)鐘同步,即在控制中心設(shè)置GPS時(shí)鐘同步設(shè)備,停車場和各車站通過1588v2協(xié)議與中心時(shí)鐘進(jìn)行同步。主從時(shí)鐘同步方式使GPS天線安裝和后期維護(hù)的難度大大減低,非常適用于地鐵的建設(shè),但部分傳輸網(wǎng)和交換機(jī)設(shè)備不支持1588v2同步協(xié)議。同時(shí),該協(xié)議推出時(shí)間尚短,還有待完善和修正。

基于以上優(yōu)缺點(diǎn),杭州地鐵4號(hào)線在每個(gè)站點(diǎn)距離BBU最近的地面出口處,設(shè)置2副GPS天線,做主備使用。對(duì)于無法引出GPS天線的車站,其BBU設(shè)置到相鄰的車站,采用光纖拉遠(yuǎn)的方式將BBU的基帶信號(hào)接到本站的RRU設(shè)備。隨著支持1588v2同步協(xié)議應(yīng)用的增多,在后期工程中建議考慮主從時(shí)鐘同步方式。

3.4區(qū)間信號(hào)的貫通方案

LTE基站的漏纜覆蓋距離為600 m,而TETRA基站單邊漏纜的覆蓋距離可達(dá)1 100 m,因此,存在LTE和TETRA基站信號(hào)不同時(shí)接入漏纜的情況。如果在LTE信號(hào)接入漏纜處TETRA信號(hào)中斷,那么TETRA手持終端可能沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行切換而導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。反之,在TETRA基站信號(hào)接入漏纜處,LTE車載終端也會(huì)出現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷的可能。

為解決上述問題,杭州地鐵4號(hào)線在基站接入漏纜處增加了POI設(shè)備,并在合路器采用跳線連接,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的貫通(見圖4)。

圖4　區(qū)間漏纜信號(hào)貫通示意圖

3.5系統(tǒng)天線模式匹配方案

在區(qū)間,RRU設(shè)備兩個(gè)端口分別直接接入上行和下行方向的漏纜。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中,發(fā)現(xiàn)存在TAU接收不平衡的現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):TAU和系統(tǒng)交互時(shí)系統(tǒng)工作在兩天線模式下,TAU只能收到1個(gè)天線的信號(hào),從而,TAU實(shí)際收到的信號(hào)和與系統(tǒng)交互時(shí)給的信息不一致,影響終端的解調(diào)和系統(tǒng)整體性。為了使TAU和系統(tǒng)交互模式一致,工程優(yōu)化方案中,在RRU輸出端口增加了電橋,見圖5。這樣既能保證RRU的工作效率,又解決了原方案存在的問題。

圖5　系統(tǒng)天線模式匹配示意圖

4　系統(tǒng)容量測試

4.1測試方法

理論上,TD-LTE在20 MHz頻段上,在上、下行數(shù)據(jù)子幀配比為2:2時(shí),下行最大數(shù)據(jù)速率為39.28 Mbit/s,上行最大數(shù)據(jù)數(shù)量為21.43 Mbit/s。無線數(shù)據(jù)速率密切關(guān)系到車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)承載的各種業(yè)務(wù),為了測試區(qū)間TD-LTE的實(shí)際數(shù)據(jù)速率,杭州地鐵4號(hào)線對(duì)車地LTE無線車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)帶寬測試,具體方法如下:①筆記本電腦上安裝FTP(文件傳輸協(xié)議)客戶端,并連接到車載交換機(jī);②設(shè)置IP(網(wǎng)絡(luò)之間互連協(xié)議)地址,并能ping通地面模擬的服務(wù)器。③服務(wù)器上開啟FTP服務(wù)端程序及IPERF軟件。④在筆記本上用開啟FTP客戶端,開啟10個(gè)線程上傳文件,服務(wù)器側(cè)用IPERF軟件對(duì)筆記本地址進(jìn)行3線程的灌包。

筆記本上用DU Meter軟件記錄實(shí)時(shí)的隧道區(qū)間每個(gè)位置的上下行數(shù)據(jù)傳輸帶寬,并對(duì)全線隧道區(qū)間測試6次,最后對(duì)每個(gè)隧道位置6個(gè)帶寬數(shù)據(jù)取平均值得出最終的數(shù)據(jù)傳輸帶寬值。

4.2階段測試數(shù)據(jù)

左、右線區(qū)間RRU設(shè)備對(duì)稱配置,因此本文只給出了右線上、下行測試數(shù)據(jù)。右線區(qū)間FTP上傳測試數(shù)據(jù)見表1;右線區(qū)間IPERF灌包下載測試數(shù)據(jù)見表2。

表1　右線上傳測試數(shù)據(jù)　Mbit/s

表2　右線下載測試數(shù)據(jù)　Mbit/s

綜上階段性測試數(shù)據(jù)可見,TD-LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高,有足夠的帶寬滿足車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)上、下行業(yè)務(wù)需求。

5　結(jié)語

TD-LTE在杭州地鐵4號(hào)線乘客信息系統(tǒng)的成功應(yīng)用和開通,進(jìn)一步驗(yàn)證了TD-LTE數(shù)據(jù)傳輸速率高、時(shí)延更低、覆蓋廣、切換快、端到端的QoS等級(jí)多、多媒體組播業(yè)務(wù)好、運(yùn)營維護(hù)量小等重要特點(diǎn)。隨著車地?zé)o線LTE系統(tǒng)的優(yōu)化和各種業(yè)務(wù)的承載測試,促進(jìn)了LTE系統(tǒng)在專用網(wǎng)絡(luò)中定制化開發(fā)和應(yīng)用,為LTE在城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和集群通信系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了工程基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王映民,孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[2] 張斌.城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)智能移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2014(3):63.

Application of TD-LTE in Urban Rail Transit Passenger Information System

Xiong Dongyu

AbstractBased on LTE wireless communications between train and ground,and combined with the service of passenger information system,some schemes like the system coverage, clock synchronization,hand off in tunnel,antenna pattern and so on are discussed.On this basis,a test environment of TD LTE is established.And the results show that LTE wireless transmission has better practical value,it is a good system to carry a variety of passenger information service.

Key wordsurban rail transit;time division long term evolution(TD-LTE);passenger information system

(收稿日期:2015-08-24)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.024

中圖分類號(hào)U 293.25